Movimiento colectivo en vehículos que no levantan

El movimiento en grupo se ve comúnmente en la naturaleza, como cuando los pájaros vuelan en Formación o los peces nadan en escuelas. Este comportamiento ayuda a los animales a ahorrar energía y mejorar su efectividad al llegar a sus destinos. Últimamente, ha crecido el interés en cómo se puede aplicar este movimiento colectivo a vehículos aéreos no tripulados (UAV) y vehículos submarinos. La mayoría de la investigación actual se centra en mejorar los controles y la comunicación dentro de estos grupos, pero se ha explorado menos cómo las interacciones físicas en el flujo alrededor de los vehículos.

#El desafío con vehículos que no generan sustentación

Muchos drones y vehículos submarinos no generan sustentación como lo hacen los aviones. Esto significa que algunas de las estrategias típicas utilizadas para volar en formación-como las que aprovechan el flujo de aire ascendente creado por las alas que levantan-no aplican. Se vuelve esencial estudiar cómo estos vehículos que no generan sustentación interactúan con el agua o el aire que los rodea cuando están organizados en formaciones.

#Lo que hicimos

Investigamos cómo los grupos de objetos que no generan sustentación afectan el flujo a su alrededor. Observamos cómo estas formaciones cambian la cantidad de resistencia que experimenta cada vehículo en comparación con cuando operan solos. Para hacer esto, realizamos experimentos en un túnel de agua utilizando una técnica llamada velocimetría de imagen de partículas (PIV). Esto nos permitió visualizar el flujo y medir la resistencia que experimentaban diferentes miembros del grupo en varias formaciones.

#Hallazgos clave

Nuestros experimentos revelaron que en formaciones donde los vehículos se superponen en la dirección del flujo, hay una notable reducción en la resistencia. Algunos vehículos experimentaron hasta un 45% de disminución en la resistencia al volar en la formación adecuada. Descubrimos que la disposición de estos objetos que no generan sustentación puede llevar a estrategias de ahorro energético para vehículos aéreos y submarinos, permitiéndoles operar de manera más eficiente.

#La inspiración de la naturaleza

El comportamiento colectivo es evidente en muchas especies, desde pájaros hasta peces. Los animales que viajan juntos suelen gastar menos energía, ya sea que estén migrando o nadando en grupo. Los estudios de estas Dinámicas grupales proporcionan información sobre cómo construir vehículos no tripulados más eficientes. Históricamente, ejemplos de estrategias efectivas de vuelo en grupo se remontan a la aviación militar, donde las formaciones aumentaron las tasas de éxito de las misiones. Tales estrategias también se han adoptado en la aviación comercial e incluso en deportes.

#Limitaciones de los modelos existentes

Los modelos actuales de movimiento grupal a menudo se centran en cuerpos que generan sustentación, como pájaros y algunos aviones. Estos modelos no pueden explicar adecuadamente los beneficios observados en grupos que no generan sustentación. Por ejemplo, las langostas espinosas utilizan un tipo de formación de natación que no depende de la sustentación, y las ventajas que obtienen de los movimientos grupales siguen siendo en gran medida inexplicables en el contexto de las teorías existentes.

#Vehículos no tripulados: estado actual y direcciones futuras

El rápido desarrollo de UAV ha llevado a una variedad de estrategias de enjambre que priorizan el control y la comunicación. Los enjambres de UAV son particularmente útiles en áreas como seguridad, monitoreo ambiental y conectividad. Sin embargo, la mayoría de estos vehículos están diseñados para despegues y aterrizajes cortos y funcionan sin generar sustentación, lo que hace que las estrategias de formación tradicionales sean menos aplicables.

#Medición de interacciones de flujo

En nuestro estudio, observamos específicamente el flujo alrededor de objetos no generadores de sustentación dispuestos en formaciones. Probamos diferentes configuraciones para ver cómo la disposición impactaba la dinámica de fluidos circundante. Al emplear técnicas avanzadas de imagen, pudimos obtener información sobre cómo la posición de cada objeto afectaba su resistencia.

#Configuración experimental

Nuestros experimentos se llevaron a cabo en un ambiente controlado-un túnel de agua. Utilizamos múltiples varillas de acero inoxidable configuradas en diferentes formaciones para representar tanto configuraciones estrechas como amplias. Al variar el número de miembros en cada formación, pudimos analizar las dinámicas del flujo en ambos casos y medir la resistencia que experimentaba cada objeto.

#Entendiendo la dinámica del flujo

Las interacciones entre múltiples objetos crean patrones de flujo complejos. Se observaron tres fenómenos principales:

1. El flujo se ralentiza al acercarse a objetos físicos, creando un punto de estancamiento.
2. El déficit de velocidad ocurre debido a la estela generada detrás de los objetos, lo que afecta a todos los miembros del grupo.
3. El flujo puede moverse a través de los espacios entre objetos, conocido como flujo sangrante, lo que puede influir en la resistencia experimentada por los miembros individuales.

Estas interacciones conducen a efectos variables en la resistencia para cada vehículo en la formación.

#El papel de la forma de la formación

La forma y disposición de las formaciones juegan un papel crucial en cómo los vehículos pueden cooperar. Las formaciones estrechas, donde los miembros se superponen en proyección, llevan a reducciones significativas en la resistencia para el miembro líder. Por el contrario, las formaciones amplias permitieron dinámicas de fluidos más libres, impactando la resistencia de manera diferente.

#Impacto de la posición en la formación

La posición de cada vehículo en la formación afecta mucho su resistencia. El miembro líder tiende a experimentar una resistencia reducida a través de los efectos combinados de un flujo entrante más lento y la recuperación de presión de las estelas de los miembros que lo siguen. Los miembros que siguen enfrentan desafíos diferentes, a menudo experimentando un aumento de resistencia debido a condiciones de flujo más turbulentas.

#Importancia de los miembros interiores

Los miembros interiores, presentes en formaciones más grandes, experimentan dinámicas de flujo únicas en comparación con los miembros líderes y los que siguen. Sus estelas se ven influenciadas por los Flujos de miembros tanto aguas arriba como aguas abajo, lo que conduce a interacciones complejas que contribuyen a los cambios en la resistencia.

#Turbulencia y fuerzas de resistencia

La turbulencia detrás de los objetos en formación varía ampliamente entre los diferentes miembros, afectando las fuerzas de resistencia. Por ejemplo, los miembros que siguen a menudo existen en regiones más turbulentas debido a su posición relativa a otros miembros.

#Observaciones de los experimentos

Medimos diferentes aspectos del campo de flujo e identificamos cambios significativos en la resistencia de los miembros en formaciones en comparación con aquellos que volaban solos. El comportamiento de cada grupo proporcionó información sobre cómo estructurar futuras formaciones.

#Conclusión

Este estudio ilustra que los principios del movimiento grupal pueden tener aplicaciones prácticas para vehículos que no generan sustentación. Las observaciones realizadas pueden informar futuros diseños y estrategias para enjambres de drones y vehículos submarinos, abriendo nuevas posibilidades para la conservación de energía y el movimiento efectivo.

#Aplicaciones futuras

Los hallazgos no se limitan a los vehículos, sino que también tienen implicaciones para estructuras medioambientales que controlen la erosión y la prevención de inundaciones. Además, las lecciones aprendidas de las formaciones vehiculares pueden inspirar nuevos diseños en sistemas de energía renovable, como disposiciones de turbinas eólicas, maximizando la captura de energía.

#Impactos más amplios

Entender cómo los objetos interactúan en grupos puede llevar a diseños más inteligentes en varios campos, desde la robótica hasta la ciencia ambiental. Los resultados de este trabajo podrían guiar mejoras en sistemas autónomos, asegurando un uso eficiente de la energía y la seguridad en ambientes operativos.

En el ámbito del movimiento grupal, ya sea en la naturaleza o en sistemas ingenierizados, la interacción de los individuos y su entorno juega un papel vital en la optimización del rendimiento. A medida que continuamos explorando y entendiendo estas dinámicas, podemos diseñar mejor sistemas que imiten las eficiencias de la naturaleza y mejoren los avances tecnológicos en varios sectores.